第6章 MOSFET及相關(guān)器件02

1、半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理第第6 6章章 MOSFETMOSFET及相關(guān)器件及相關(guān)器件1金屬金屬-SiO2-Si被廣泛研究。被廣泛研究。SiO2-Si系統(tǒng)電特性近似于理想系統(tǒng)電特性近似于理想MOS二極管。但二極管。但一般一般q ms0，且在氧化層內(nèi)或，且在氧化層內(nèi)或SiO2-Si界面處存在不界面處存在不同電荷，將以各種方式影響理想同電荷，將以各種方式影響理想MOS特性。特性。一、功函數(shù)差一、功函數(shù)差對于一有固定對于一有固定q m的金屬，其與的金屬，其與半導(dǎo)半導(dǎo)體體功函數(shù)功函數(shù)q s的差的差q ms=q( m- s)會隨半會隨半導(dǎo)體摻雜濃度而改變導(dǎo)體摻雜濃度而改變，

2、如右圖。，如右圖。隨電極材料與硅襯底摻雜濃度的不隨電極材料與硅襯底摻雜濃度的不同，同， ms可能會有超過可能會有超過2V的變化。的變化。 0 .02 .04 .06 .08 .00 .12 .12 .04 .06 .08 .00 .12 .1131014101610151017101810)Sin(p多晶)Sip(p多晶)Sin(n多晶)Sip(n多晶)Sin(Al)Sip(Al3Bcm/N圖 5. 8 鋁、及多晶硅柵極材料的功函數(shù)差為襯底雜質(zhì)濃度的函數(shù)pn圖 5. 8 鋁、及多晶硅柵極材料的功函數(shù)差為襯底雜質(zhì)濃度的函數(shù)pnV/ms6.1.2 SiO2-Si MOS二極管二極管半導(dǎo)體器件物理半

3、導(dǎo)體器件物理第第6 6章章 MOSFETMOSFET及相關(guān)器件及相關(guān)器件2考慮一在獨立金屬與獨立半導(dǎo)體間的氧化層夾心結(jié)構(gòu)，如圖考慮一在獨立金屬與獨立半導(dǎo)體間的氧化層夾心結(jié)構(gòu)，如圖(a)。獨立狀態(tài)下，所有能帶均保持水平，即平帶狀況。當(dāng)三者結(jié)合，獨立狀態(tài)下，所有能帶均保持水平，即平帶狀況。當(dāng)三者結(jié)合，熱平衡狀態(tài)下，費米能級必為定值熱平衡狀態(tài)下，費米能級必為定值，且真空能級必為連續(xù)，為，且真空能級必為連續(xù)，為調(diào)節(jié)功函數(shù)差，半導(dǎo)體能帶需向下彎曲，如圖調(diào)節(jié)功函數(shù)差，半導(dǎo)體能帶需向下彎曲，如圖(b)。熱平衡，金屬含正電荷，熱平衡，金屬含正電荷，而半導(dǎo)體表面為負(fù)電荷而半導(dǎo)體表面為負(fù)電荷。為達(dá)到平帶狀況，需外

4、加為達(dá)到平帶狀況，需外加一相當(dāng)于功函數(shù)差一相當(dāng)于功函數(shù)差q ms的的電壓，對應(yīng)圖電壓，對應(yīng)圖(a)；此處在；此處在金屬外加的負(fù)電壓金屬外加的負(fù)電壓VFB= ms，稱為稱為平帶電壓平帶電壓。 2SiOVESipVECEFEFEmqSqCE真 空 能 級mqSqCEFEVEVEFE真空能級間 夾 氧 化 物 的 能 帶 圖獨 立 金 屬 與 獨 立 半 導(dǎo) 體)(a二 極 管 的 能 帶 圖熱 平 衡 下 的 M O S)(b圖5. 92SiOVESipVECEFEFEmqSqCE真 空 能 級mqSqCEFEVEVEFE真空能級真空能級間 夾 氧 化 物 的 能 帶 圖獨 立 金 屬 與 獨 立

5、 半 導(dǎo) 體)(a二 極 管 的 能 帶 圖熱 平 衡 下 的 M O S)(b圖5. 92S iOVES ip VECEFEFEmqSqCE真 空 能 級mqSqCEFEVEVEFE真空能級間 夾 氧 化 物 的 能 帶 圖獨 立 金 屬 與 獨 立 半 導(dǎo) 體) (a二 極 管 的 能 帶 圖熱 平 衡 下 的 M O S) (b圖 5 . 92S iOVES ip VECEFEFEmqSqCE真 空 能 級mqSqCEFEVEVEFE真空能級真空能級間 夾 氧 化 物 的 能 帶 圖獨 立 金 屬 與 獨 立 半 導(dǎo) 體) (a二 極 管 的 能 帶 圖熱 平 衡 下 的 M O S)

6、(b圖 5 . 9半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理第第6 6章章 MOSFETMOSFET及相關(guān)器件及相關(guān)器件3MOSFET有許多種縮寫形式，如有許多種縮寫形式，如IGFET、MISFET、MOST等。等。n溝道溝道MOSFET的透視圖如圖所示，四端點器件。的透視圖如圖所示，四端點器件。氧化層上方金屬為氧化層上方金屬為柵極柵極，高，高摻雜或結(jié)合金屬硅化物的多摻雜或結(jié)合金屬硅化物的多晶硅可作柵極，晶硅可作柵極，第四個端點第四個端點為一連接至襯底的歐姆接觸為一連接至襯底的歐姆接觸?；镜钠骷?shù)：溝道長度基本的器件參數(shù)：溝道長度L（為兩個（為兩個n+-p冶金結(jié)之間的距冶金結(jié)之間的距離）、溝道寬度離）、

7、溝道寬度Z、氧化層厚、氧化層厚度度d、結(jié)深度、結(jié)深度rj以及襯底摻雜以及襯底摻雜濃度濃度NA。6.2 MOSFET基本原理基本原理2SiOL+n+njrZdp襯底z)(yEy)(xEx源極柵極漏極2SiOL+n+njrZdp襯底襯底z)(yEy)(xExz)(yEy)(xEx源極柵極漏極器件中央部分即為器件中央部分即為MOS二極管二極管 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理第第6 6章章 MOSFETMOSFET及相關(guān)器件及相關(guān)器件4MOSFET中中源極為電壓參考源極為電壓參考點點。當(dāng)。當(dāng)柵極無外加偏壓柵極無外加偏壓時，時，源、漏電極間可視為兩個背源、漏電極間可視為兩個背對背相接的對背相接的p-n結(jié)，

8、而由源結(jié)，而由源極流向漏極的電流只有極流向漏極的電流只有反向反向漏電流漏電流。6.2.1 基本特性基本特性 外加一外加一足夠大正電壓足夠大正電壓于柵極，于柵極，MOS結(jié)構(gòu)將被結(jié)構(gòu)將被反型反型，兩個，兩個n+區(qū)間區(qū)間形成表面形成表面反型層反型層（溝道）。源、漏極通過這一（溝道）。源、漏極通過這一n型溝道連接，型溝道連接，允許大電流流過。允許大電流流過。溝道電導(dǎo)可通過柵極電壓來調(diào)節(jié)溝道電導(dǎo)可通過柵極電壓來調(diào)節(jié)。襯底可連。襯底可連接至參考電壓或相對于源極的反向偏壓，接至參考電壓或相對于源極的反向偏壓，襯底偏壓亦會影響溝襯底偏壓亦會影響溝道電導(dǎo)道電導(dǎo)。2SiOL+n+njrZdp襯底z)(yEy)(x

9、Ex源極柵極漏極2SiOL+n+njrZdp襯底襯底z)(yEy)(xExz)(yEy)(xEx源極柵極漏極半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理第第6 6章章 MOSFETMOSFET及相關(guān)器件及相關(guān)器件5當(dāng)柵極上施加一偏壓，并在半導(dǎo)體表面當(dāng)柵極上施加一偏壓，并在半導(dǎo)體表面產(chǎn)生強(qiáng)反型產(chǎn)生強(qiáng)反型。若在漏。若在漏極加一小量電壓，電子將會由源極經(jīng)溝道流向漏極（電流流極加一小量電壓，電子將會由源極經(jīng)溝道流向漏極（電流流向相反）。因此，向相反）。因此，溝道的作用就如同電阻一般溝道的作用就如同電阻一般，漏極電流，漏極電流ID與漏極電壓成比例，如圖與漏極電壓成比例，如圖(a)右側(cè)直線所示的右側(cè)直線所示的線性區(qū)線性區(qū)

10、。線性區(qū)與飽和區(qū)線性區(qū)與飽和區(qū)L溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VDIDIDV低漏極電壓)( a點為夾斷點進(jìn)入飽和區(qū)，p)( bnn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(p夾斷點DIDV0satDIsatDVnn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(pLpDIDV0過飽和)( c圖5. 15 MOSFET工作方式及其輸出的I - V特性L溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VDIDIDVL溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VDIL溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VDIDIDVDIDV低漏極電壓)( a點為夾斷點進(jìn)入飽和區(qū)，p)( bnn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(p夾斷點DIDV0satDIsatDVnn耗

11、盡區(qū)TGVVsatDDVV)(p夾斷點nn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(p夾斷點DIDV0satDIsatDVDIDV0satDIsatDVnn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(pLpDIDV0nn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(pLpnn耗盡區(qū)TGVVsatDDVV)(pLpDIDV0DIDV0過飽和)( c圖5. 15 MOSFET工作方式及其輸出的I - V特性半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理第第6 6章章 MOSFETMOSFET及相關(guān)器件及相關(guān)器件6半導(dǎo)體表面半導(dǎo)體表面強(qiáng)反型形成導(dǎo)電溝道強(qiáng)反型形成導(dǎo)電溝道時，時，溝道呈電阻特性溝道呈電阻特性，當(dāng)漏，當(dāng)漏-源電流通過溝道電阻時將在其上產(chǎn)生電

12、壓降。源電流通過溝道電阻時將在其上產(chǎn)生電壓降。忽略其它電阻，忽略其它電阻，漏端相當(dāng)于源端的溝道電壓降就等于漏端相當(dāng)于源端的溝道電壓降就等于VDS。溝道存在壓降，柵絕緣層上有效壓降從溝道存在壓降，柵絕緣層上有效壓降從源端到漏端逐漸減小源端到漏端逐漸減小。當(dāng)漏極電壓持續(xù)增加，直到達(dá)到當(dāng)漏極電壓持續(xù)增加，直到達(dá)到VDsat，靠近，靠近y=L處的反型層處的反型層厚度厚度xi0，此處稱為，此處稱為夾斷點夾斷點P，如圖，如圖(b)。L溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VDI低漏極電壓)( a點為夾斷點進(jìn)入飽和區(qū)，p)( bnn耗盡區(qū)TGVVs a tDDVV)(p夾斷點nn耗盡區(qū)TGVVs a tDDVV)

13、(pLp過飽和)( c圖5. 15 MOSFET工作方式及其輸出的I - V特性L溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VDIL溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VDIL溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VDI低漏極電壓)( a點為夾斷點進(jìn)入飽和區(qū)，p)( bnn耗盡區(qū)TGVVs a tDDVV)(p夾斷點nn耗盡區(qū)TGVVs a tDDVV)(p夾斷點nn耗盡區(qū)TGVVs a tDDVV)(p夾斷點nn耗盡區(qū)TGVVs a tDDVV)(pLpnn耗盡區(qū)TGVVs a tDDVV)(pLpnn耗盡區(qū)TGVVs a tDDVV)(pLp過飽和)( c圖5. 15 MOSFET工作方式及其輸出的I - V

14、特性DIDVDIDVDIDVDIDVDIDV0s a tDIs a tDVDIDV0s a tDIs a tDVDIDV0s a tDIs a tDVDIDV0s a tDIs a tDVDIDV0DIDV0DIDV0DIDV0VDsat稱為飽和電壓稱為飽和電壓。半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理第第6 6章章 MOSFETMOSFET及相關(guān)器件及相關(guān)器件7溝道被夾斷后溝道被夾斷后，若，若VG不變，則當(dāng)不變，則當(dāng)VDS持續(xù)增加時，持續(xù)增加時，VDS-VDsat降落降落在漏端附近的夾斷區(qū)，夾斷區(qū)隨在漏端附近的夾斷區(qū)，夾斷區(qū)隨VDS的增大而展寬，夾斷點的增大而展寬，夾斷點P隨隨之向源端移動。之向源端移動

15、。P點電壓保持點電壓保持VDsat，反型層內(nèi)電場增強(qiáng)而反型載流子數(shù)減少，二，反型層內(nèi)電場增強(qiáng)而反型載流子數(shù)減少，二者共同作用的結(jié)果是者共同作用的結(jié)果是單位時間流到單位時間流到P點的載流子數(shù)即電流不變點的載流子數(shù)即電流不變。載流子漂移到載流子漂移到P點，被夾斷區(qū)的強(qiáng)電場掃入漏區(qū)，形成漏源電流，點，被夾斷區(qū)的強(qiáng)電場掃入漏區(qū)，形成漏源電流，該電流不隨該電流不隨VDS變化（達(dá)到飽和）。此為變化（達(dá)到飽和）。此為飽和區(qū)，飽和區(qū)，如圖如圖(c)。VDS過大，漏端過大，漏端p-n結(jié)會發(fā)生反向擊穿。結(jié)會發(fā)生反向擊穿。L溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VDI低漏極電壓)( a點為夾斷點進(jìn)入飽和區(qū)，p)( bnn

16、耗盡區(qū)TGVVs a tDDVV)(p夾斷點nn耗盡區(qū)TGVVs a tDDVV)(pLp過飽和)( c圖5. 15 MOSFET工作方式及其輸出的I - V特性L溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VDIL溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VDIL溝道pnn耗盡區(qū)TGVV)(D小VDI低漏極電壓)( a點為夾斷點進(jìn)入飽和區(qū)，p)( bnn耗盡區(qū)TGVVs a tDDVV)(p夾斷點nn耗盡區(qū)TGVVs a tDDVV)(p夾斷點nn耗盡區(qū)TGVVs a tDDVV)(p夾斷點nn耗盡區(qū)TGVVs a tDDVV)(pLpnn耗盡區(qū)TGVVs a tDDVV)(pLpnn耗盡區(qū)TGVVs a tDD

17、VV)(pLp過飽和)( c圖5. 15 MOSFET工作方式及其輸出的I - V特性DIDVDIDVDIDVDIDVDIDV0s a tDIs a tDVDIDV0s a tDIs a tDVDIDV0s a tDIs a tDVDIDV0s a tDIs a tDVDIDV0DIDV0DIDV0DIDV0半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理第第6 6章章 MOSFETMOSFET及相關(guān)器件及相關(guān)器件8類型剖面圖輸出特性轉(zhuǎn)移特性)(n常閉溝增強(qiáng)型)(n常開溝耗盡型)(p常閉溝增強(qiáng)型)(p常開溝耗盡型GnnpDDI溝道nGnnpDDIGppnDDIGppnDDI溝道pDI0DV123V4GVDI0DV20V1GV10DIDV123V4GVDI0DV120V1GV0TnVDITpV0GVDI0TnVDIGV0GVDI類型剖面圖輸出特性轉(zhuǎn)移特性)(n常閉溝增強(qiáng)型)(n常開溝耗盡型)(p常閉溝增強(qiáng)型)(p常開溝耗盡型GnnpDDIGnnpDDI溝道nGnnpDDIGnnpDDIGppnDDIGppnDDIGppnDDI溝道pGppnDDIGppnDDI溝道pDI0DV123V4GVDI0DV123V4GVDI0DV20V1GV1DI0DV20V1GV10DIDV123V4GV0DIDV123V4GVDI0DV12